Verschraubungskurven verstehen: Typische Muster & ihre Ursachen

Jede Verschraubung erzeugt eine Kurve. Drehmoment über Drehwinkel – ein scheinbar simples Diagramm, das die vollständige Geschichte einer Schraubverbindung erzählt. Wie hart ist das Material? Gibt es einen Kopfauflage-Übergang? Hat die Schraube gegriffen? Dreht sich die Mutter frei? Gab es ein Klemmen?

Ein erfahrener Schrauber-Techniker liest diese Kurve wie ein EKG. Er sieht sofort: Hier stimmt etwas nicht. Aber in den meisten Betrieben läuft die Kurvenauswertung vollautomatisch nach einfachen Grenzwerten – Soll-Drehmoment erreicht: IO. Sonst: NIO. Die eigentliche Information in der Kurvenform bleibt ungenutzt.

Dieser Artikel erklärt acht typische Kurvenformen, die in der Serienmontage auftreten: was sie bedeuten, welche Ursachen dahinterstecken und welche Maßnahmen sie auslösen müssen. Dazu: die vollständige Diagnose-Matrix, das IO/NIO-Bewertungsschema und eine Übersicht der gängigen Anziehverfahren mit ihrer charakteristischen Kurvenform.

Grundlagen: Was eine Verschraubungskurve zeigt

Eine Verschraubungskurve ist die grafische Darstellung des Drehmoments (Y-Achse) über dem Drehwinkel (X-Achse) während eines Schraubvorgangs. Sie zeigt nicht nur ob eine Verbindung korrekt angezogen wurde – sie zeigt wie der Schraubvorgang abgelaufen ist.

Die vier Phasen einer idealen Verschraubungskurve

• Phase 1 – Freilaufphase: Die Schraube dreht frei, bevor das Gewinde vollständig eingreift. Drehmoment minimal. Drehwinkel nimmt zu ohne signifikanten Momentanstieg.
• Phase 2 – Fügephase: Die Schraube zieht sich ins Gewinde, Verbindungsteile kommen in Kontakt. Leichter Momentanstieg, noch kein stabiler linearer Bereich.
• Phase 3 – Elastischer Bereich: Kopfauflage hergestellt, Schraube wird gespannt. Linearer steiler Anstieg des Drehmoments über den Drehwinkel. Die Steigung in diesem Bereich ist charakteristisch für die Verbindungssteifigkeit.
• Phase 4 – Abschluss: Soll-Drehmoment erreicht, Schrauber stoppt oder schaltet ab. Bei drehwinkelgesteuerten Verfahren: definierter Drehwinkel nach Voranzugsmoment gedreht.

Die Anziehverfahren und ihre charakteristischen Kurvenformen

Das Anziehverfahren bestimmt, welche Kurvenform als 'normal' gilt und welche Parameter überwacht werden. Verschiedene Verfahren haben fundamental unterschiedliche Kurvencharakteristiken.

8 typische Kurvenformen: Muster, Ursachen und Maßnahmen

Die folgenden acht Kurvenformen decken den Großteil aller Schraubprobleme ab, die in der Serienmontage auftreten. Jede Karte zeigt das schematische Kurvenprofil (Drehmoment über Drehwinkel), die typischen Ursachen und die empfohlene Maßnahme.

Diagnose-Matrix: Symptom → Ursache → Verifikation → Sofortmaßnahme

Die Diagnose-Matrix ist das Werkzeug für die schnelle Ursachenfindung bei Schraubproblemen in der laufenden Produktion. Vom sichtbaren Kurven-Symptom zur verifizierbaren Ursache in unter 10 Minuten.

IO/NIO-Bewertungsschema nach VDI/VDE 2862

Die Bewertung einer Verschraubung nach IO (in Ordnung) oder NIO (nicht in Ordnung) erfolgt nach VDI/VDE 2862 auf Basis mehrerer Kriterien gleichzeitig. Drehmoment allein ist nicht ausreichend.

Das Drehmoment sagt ob die Schraube angezogen ist. Die Kurve sagt ob die Verbindung gut ist. Das sind zwei sehr verschiedene Fragen.

— Amadeus Lederle CTE, CSP Intelligence GmbH

Vor-/Nachher-Vergleich: Was Prozessoptimierung in der Kurve sichtbar macht

Der Wert einer guten Kurvenauswertung zeigt sich besonders im Vorher-Nachher-Vergleich nach einer Prozessoptimierung. Drei reale Fälle aus der Praxis illustrieren, wie Kurvenveränderungen Prozessverbesserungen belegen.

Kurvenauswertung in der Praxis: Manuell vs. automatisch vs. KI

Die Kurvenauswertung kann auf drei Niveaus stattfinden – jedes hat seinen Platz in der Produktionspraxis.

Niveau 1: Grenzwert-basierte Auswertung (Standard)

Die gängigste Methode: Der Schrauber bewertet IO/NIO ausschließlich nach Grenzwerten für Drehmoment und Drehwinkel. Schnell, robust und ausreichend für niedrige Klassenanforderungen. Schwachstelle: Kurvenform wird nicht bewertet. Ein Plateau im Anstieg, das auf Setzen hinweist, wird nicht erkannt wenn das Endmoment stimmt.

Niveau 2: Manuelle Mustererkennung durch Experten

Ein ausgebildeter Techniker überprüft auffällige Kurven manuell und erkennt Muster. Effektiv für die Ursachenanalyse bei wiederkehrenden NIO-Mustern. Nicht skalierbar für 100%-Kurvenanalyse in der laufenden Produktion. Typisch: manuelle Review-Stichprobe oder Eskalation bei häufigen NIO-Fällen.

Niveau 3: KI-gestützte automatische Mustererkennung

Machine-Learning-Modelle erkennen Kurvenabweichungen automatisch – auch jenseits einfacher Grenzwertprüfung. Training auf historischen Kurven mit bekannter Bewertung. Erkennt auch subtile Muster, die menschlichen Bewertern entgehen. Voraussetzung: ausreichende Menge hochwertiger historischer Kurvendaten (typisch 10.000+ Kurven für stabiles Modell).

Die Hybrid-Empfehlung für die Praxis: Automatische Grenzwert-Auswertung für 100% der Kurven (Niveau 1), manuelle Experten-Review für auffällige Muster und Trendanalysen (Niveau 2), KI-Unterstützung für systematische Mustererkennung bei hohem Volumen und Klasse-A-Schraubfällen (Niveau 3).

PRAXISTIPP

IPM – Vollständige Schraubkurven-Infrastruktur

CSP IPM erfasst Schraubkurven vollständig und in Echtzeit: Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf je Anzug, je Schraublage, je Seriennummer. Kurven sind unveränderlich gespeichert, mit Werkzeug-ID, Zeitstempel und IO/NIO-Bewertung – nach VDI/VDE 2862 Klasse A/B/C.

• Echtzeit-Kurvenaufzeichnung: vollständiger Verlauf je Anzug, nicht nur Endwerte
• Kurvenvergleich: aktuelle Kurve gegen Referenzkurve je Schraublage auf einen Blick
• Trendanalyse: Steigungsveränderung über Produktion als Frühwarnung für Werkzeugverschleiß
• Cpk automatisch: aus Drehmoment- und Drehwinkel-Werten je Schraublage
• Verknüpfung zur Seriennummer: jede Kurve ist der produzierten Einheit zugeordnet – vollständige Traceability
• KI-Integration möglich: Kurvendaten als Trainings- und Inferenzbasis für Muster-Erkennung

→ Demo vereinbaren

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Drehmoment und Vorspannkraft?

Drehmoment (M_A, in Nm) ist die mechanische Kraft, mit der eine Schraube gedreht wird. Es ist die Steuergröße des Anziehvorgangs. Vorspannkraft (F_V, in kN) ist die tatsächlich aufgebaute Zugkraft in der Schraube – das, was die Verbindung zusammenhält. Beide sind über die Schrauben-Gleichung verbunden: M_A = F_V × d/2 × (tan(φ + ρ') + ...), wobei φ der Steigungswinkel und ρ' der Reibungswinkel ist. Das Problem: Reibung variiert. Gleiche Anzugsmomente erzeugen deshalb unterschiedliche Vorspannkräfte je nach Schmierung, Oberfläche und Material.

Warum wird beim Stick-Slip-Effekt die Kurve unruhig?

Stick-Slip (Haft-Gleit-Effekt) entsteht, wenn die Haftreibung zwischen Schraubenflanken und Gewinde zeitweise höher ist als die Gleitreibung. Die Verbindung 'klebt' (Stick), baut Spannung auf, bis die Haftgrenze überschritten ist, gleitet dann ruckartig (Slip), reduziert die Spannung wieder, und der Zyklus beginnt erneut. Im Kurvendiagramm sieht das als hochfrequentes Zittern aus. Besonders häufig bei Edelstahl-Verbindungen ohne Schmiermittel, weil Edelstahl zur Kaltverschweißung (Galling) neigt.

Darf eine Verbindung nachangezogen werden – und ändert das die Kurveninterpretation?

Nachanzug ist bei manchen Verbindungen technisch zulässig, aber er muss als Nachanzug klar im Protokoll gekennzeichnet sein. Eine Kurve des Nachanzugs sieht anders aus als die des Erstanzugs: Der Freilaufbereich ist minimal oder nicht vorhanden, der Anstieg beginnt sofort. IO/NIO-Kriterien für Nachanzüge müssen separat definiert werden. VDI/VDE 2862 Klasse A: Nachanzug muss explizit in der Arbeitsanweisung erlaubt sein und gesondert protokolliert werden. In der Praxis gilt: Wenn häufig Nachanzüge notwendig sind, liegt ein Prozessproblem vor.

Wie erkenne ich Galling (Kaltschweißen) in der Verschraubungskurve?

Galling zeigt sich in der Kurve als starker, unregelmäßiger Anstieg oft kombiniert mit einem plötzlichen Abfall (Schraube dreht durch) oder einer sehr hohen Steigung mit Ruckbewegungen. Es ist eine extreme Form des Stick-Slip-Effekts, bei dem es zu mikroverschweißenden Verbindungen zwischen Gewindeflanken kommt. Galling tritt besonders bei Edelstahl/Edelstahl, Titan oder Aluminium/Stahl ohne ausreichende Schmierung auf. Prävention: passendes Schmiermittel (MoS₂, PTFE), beschichtete Schrauben oder Materialwechsel.

Was bedeutet 'Gradient' der Verschraubungskurve – und wie wird er berechnet?

Der Gradient (oder die Steigung) der Verschraubungskurve ist die Änderungsrate des Drehmoments pro Grad Drehwinkel im linearen Bereich der Kurve: G = ΔM / Δα (Nm/Grad). Der Gradient ist ein Maß für die Verbindungssteifigkeit: steifer Verbindungspartner = hoher Gradient, weicher Verbindungspartner = flacher Gradient. Eine Änderung des Gradienten im Vergleich zur Referenzkurve deutet auf Veränderungen in der Verbindungsgeometrie oder den Materialeigenschaften hin – z.B. fehlendes Bauteil, falsche Unterlegscheibe oder geändertes Material.

Wie viele Kurven müssen gespeichert werden und wie lange?

Nach VDI/VDE 2862 und IATF 16949 (Klasse A): alle Kurven je Einheit, unveränderlich, für die Produktlebensdauer + gesetzliche Aufbewahrungsfristen (typisch 15 Jahre im Automotive-Bereich). Im Dateiformat: typisch proprietäre Schrauber-Formate (Bosch/Atlas Copco-Format), CSV mit Zeitreihe oder standardisiertes Q-DAS-Format. Datenmenge: eine Kurve mit 1000 Messpunkten bei 1 ms Abtastrate = ca. 8 KB. Bei 100 Klasse-A-Schraublagenanzügen je Fahrzeug und 500 Fahrzeugen/Tag: ~400 MB/Tag. Über 15 Jahre: ca. 2,2 TB – verwaltbar, aber Archivierungsinfrastruktur nötig.

Kann KI falsche Bewertungen aus historischen Kurven 'lernen' und dadurch schlechter werden?

Ja – das ist ein reales Risiko bei KI-basierten Kurvenauswertungen. Wenn historische Kurven, die als 'IO' bewertet wurden, tatsächlich Qualitätsprobleme hatten (aber zu diesem Zeitpunkt nicht erkannt wurden), lernt das KI-Modell diese fehlerhafte Bewertung als Referenz. Das Resultat: Das Modell reproduziert historische Fehlbewertungen. Gegenmaßnahmen: Trainingsdaten durch Experten validieren lassen, Kurven mit bekanntem Schadensfall (z.B. Feldreklamation die auf Schrauber zurückgeführt wurde) als NIO-Klasse einbeziehen, Modell-Performance regelmäßig mit validierten Testdaten prüfen.